CN103979736A - 低污染水脱氮的人工湿地装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低污染水脱氮的人工湿地装置及其处理方法，低污染水脱氮的人工湿地装置包括恒流泵、进水区、主体反应区和出水区；低污染水通过恒流泵泵入进水区；所述进水区设置有进水孔和进水阀；所述出水区设置有出水孔和出水阀；所述主体反应区内设置有垂直向上层级的填料区；所述填料区的上方种植有四季常绿水生植物；所述主体反应区内设置有脱氮微生物菌液和营养液；本发明充分强化人工湿地在脱氮处理方面，植物、基质和微生物三方面的作用，通过筛选稳定湿地中脱氮优势菌种制得脱氮微生物菌液，再将其用于人工湿地装置中，与优选的冬季常绿的水生植物配合，达到强化人工湿地处理低污染水脱氮效率以及保持其在秋冬季节稳定性的目的。

Description

低污染水脱氮的人工湿地装置及其处理方法

技术领域

本发明属于水处理工程技术领域，具体涉及一种低污染水脱氮的人工湿地装置及其处理方法。

背景技术

近年来，随着工农业生产的发展和人类活动的加剧，我国部分湖泊水体呈现富营养化现象，氨氮、总氮超标，严重影响了水环境生态安全及人群健康。因此，湖泊水体氮污染治理已经迫在眉睫。其中，低污染水的脱氮处理成为近年来湖泊水体污染治理的新要求。

低污染水主要包括污水处理厂排放的尾水，这些尾水虽经过脱氮处理可以达到城镇污水排放I级A或I级B标准，但是仍然超过地表水环境质量V类水标准。另外，规模养殖处理排放水、农村生活污水处理后出水、城镇地表径流和农业面源污染等对湖泊生态水环境而言也属于低污染水。随着低污染水入湖污染物量所占比例不断上升，加之其污染的长期性，其对湖泊水质的危害不可忽视。对低污染水进行治理，进一步削减污染负荷，以满足湖泊流域水环境承载力的需要，已经成为我国湖泊水体环境保护的重要组成部分。

人工湿地技术作为一种具有污水处理和水环境生态改善双重功能的工程技术，在国内外已广泛用于污水的脱氮处理，人工湿地中存在着复杂的氮循环过程，氮素经过人工湿地从水体中永久去除主要有三个过程：水生植物的同化吸收、基质的吸附截留、微生物的转化成气体。基质、微生物和水生植物协同作用，实现氮素从水体中脱除。湿地植物不仅直接吸收水中的氮，而且通过根系为基质供氧，形成好氧—厌氧微环境，提供微生物附着场所等，在人工湿地中发挥重要作用。

研究发现目前人工湿地普遍存在植物种类单一、秋冬季节植物衰退等问题，这大大降低了人工湿地的脱氮效果。为此，筛选在秋冬季节保持活性的四季常绿的挺水植物和沉水植物，对其优化配置，形成挺水植物—沉水植物体系，可以加强人工湿地植物的多样性和层次性，同时保证秋冬季节的处理效率。人工湿地中微生物活动在氮素从水体永久去除的过程中起极其重要作用。但是，由于部分人工湿地中好养—厌氧微环境的不足、微生物易流失、活性降低，尤其是在较寒冷季节严重影响人工湿地的脱氮效率。因此，对天然稳定湿地系统中参与氮循环的脱氮微生物进行分离、富集、驯化和筛选，得到脱氮效率稳定的高效氮循环菌液，再投加到人工湿地装置中稳定生长，这有利于增加人工湿地中的脱氮微生物的数量和活性，加快系统稳定，保证脱氮效率。

由于人工湿地在运行过程中，其脱氮效率受到环境因素的影响。温度、光照、溶解氧、pH和氧化还原电位ORP等参数的合理控制和优化对人工湿地的处理效率有重要影响，日益严重的低污染水脱氮处理现状，而目前在人工湿地装置中，对这些参数进行实时监控、优化和整合的研究还不多见。目前缺乏处理效率高，长期稳定性好的低污染水脱氮的人工湿地装置及其处理方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种处理效率高，长期稳定性好的低污染水脱氮的人工湿地装置及其处理方法。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案的如下：一种低污染水脱氮的人工湿地装置，低污染水脱氮的人工湿地装置包括恒流泵、进水区、主体反应区和出水区；

低污染水通过恒流泵泵入进水区；所述进水区设置有进水孔和进水阀；所述出水区设置有出水孔和出水阀；所述主体反应区内设置有垂直向上层级的填料区；所述填料区的上方种植有四季常绿水生植物；所述主体反应区内设置有脱氮微生物菌液和营养液；

所述低污染水脱氮的人工湿地装置还包括总控制器、液晶显示屏、温度控制系统、光强传感器、pH计探头、ORP电极和COD测定仪；所述液晶显示屏、用于调节进水温度的温度控制系统、光强传感器、用于监测pH的pH计探头、用于检测氧化还原能力的ORP电极、COD测定仪分别与总控制器相连接；实时检测所述低污染水中的TN、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、COD的浓度值。

进一步地，所述填料区分为四层，所述第一层填料为鹅卵石，第一层填料厚度h1的范围为5≤h1≤8cm；第二层填料为沸石、钢渣或页岩陶粒，第二层填料厚度h2的范围为25≤h2≤30cm；第三层填料火山石、优级火山石、钢渣颗粒或沸石，第三层填料厚度h3的范围为25≤h3≤30cm；第四层填料为硝化污泥、细沸石、页岩陶粒或无烟煤颗粒，第四层填料厚度h4的范围为15≤h4≤20cm；所述低污染水的温度为5-30℃，所述温度控制系统包括可加热的贮水器、外部温度控制器和内置的温度传感器；

所述光强传感器的灯光照强度控制范围为0～10000Lux，所述光照选自自然光照或人工光照；所述人工光照采用卤素灯光源调节光照强度；所述自然光照强度通过自动气象站监测获得实验时的光强数据；

所述低污染水的停留时间为7d。

进一步地，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，所述沸石的粒径为5-8mm，所述钢渣颗粒的粒径为5-8mm，所述页岩陶粒的粒径5-8mm，所述火山石的粒径为5mm，所述优级火山石的粒径为5mm；

所述进水区中的低污染水的氨氮浓度为2.0～20mg/L、总氮浓度为2.0～25mg/L、化学需氧量COD为40～100mg/L。

更进一步地，所述低污染水脱氮的人工湿地装置的形状为透明的长方体，所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；将所述培养液3-7d的为一周期进行更换。

进一步地，所述水生植物为四季常绿的挺水植物和沉水植物；所述沉水植物种植在挺水植物之间。

进一步地，所述挺水植物为西伯利亚鸢尾、石菖蒲或小香蒲；沉水植物为伊乐藻、黑藻或金鱼藻；所述挺水植物的种植密度为20-25株/m²；所述低污染水的温度范围为5-30℃，光照强度范围为0～10000Lux，低污染水的停留时间为7d。

本发明的一种低污染水脱氮的人工湿地装置的处理方法，包括如下步骤：

(1)预处理人工湿地填料，对将填充的填料用超纯水进行反复冲洗；配置填料区；将水生植物均匀移植在填料区内；再种植水生植物的上面铺设3cm左右的细填料层；将从人工湿地中加入用以提高人工湿地中脱氮微生物的数量和活性的脱氮微生物菌液；再将配置好的已灭菌的培养液注入到人工湿地装置中运行；

(2)将低污染水经灭菌后存于贮水箱，所述低污染水经由恒流泵泵入进水区，低污染水经由进水区进入填料区，填料区的填料层对低污染水中氮素的进行去除；

(3)在人工湿地形成的好氧-缺氧的微环境，所述脱氮微生物对氮素的进行转化分解；

(4)水生植物对水中氮素的吸收进行同化作用；

(5)上述步骤(2)至(4)中，总控制器与人工湿地装置内的温度控制系统、光强传感器、pH计探头、ORP电极和COD测定仪相连接，通过总控制器对人工湿地装置内的温度、光强度、pH值、ORP、COD进行控制，低污染水在人工湿地中的停留时间为7天，每间隔24h进行取样，测定低污染水中的TN、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、化学需氧量COD的浓度值。

进一步地，在步骤(1)中，所述水生植物为沉水植物和挺水植物，所述沉水植物为高度为8-10cm；

在步骤(3)中，营养液通过进水区的进水孔进入人工湿地装置。

本发明所述的人工湿地在厌氧氨氧化生物脱氮处理中的应用。

本发明充分强化人工湿地在脱氮处理方面，植物、基质和微生物三方面的作用，通过筛选稳定湿地中脱氮优势菌种制得脱氮微生物菌液，再将其用于人工湿地装置中，与优选的冬季常绿的水生植物配合，形成“挺水植物—沉水植物--高效脱氮微生物”共生体系，再结合填料的优选、级配，同时结合各环境参数的实时监控、优化系统，达到强化人工湿地处理低污染水脱氮效率以及保持其在秋冬季节稳定性的目的。

本发明具有如下优点：

(1)植物选自挺水植物加沉水植物的组合，增加植物多样性和层次性，挑选冬季常绿、脱氮效果稳定的种类，避免秋冬季节植物衰亡，以加强寒冷季节脱氮效果。

(2)能适时监控人工湿地运行的各种物理化学和生物因素，包括温度、光照、pH和氧化还原电位ORP、水体和填料中溶解氧、氮磷浓度、微生物量等，可对人工湿地内各种环境因素进行实时监测和控制，可优化各控制因素保证高效运行。在脱氮微生物方面，筛选、驯化天然稳定人工湿地中参与氮循环的微生物，再将获得的高效脱氮微生物菌液添加到本人工湿地装置内，以配置的专用营养液培养，这样提高了装置内脱氮微生物的数量和活性。

(3)本人工湿地装置，采用了挺水植物-沉水植物-高效脱氮微生物的共生体系，再辅以填料的优选和层级配置，采用脱氮效果好的湿地填料进行层级配置，强化基质在脱氮方面的重要性。可充分发挥植物、填料和微生物在人工湿地脱氮方面的作用，同时能保证低温时节人工湿地装置较高的脱氮效率；人工湿地装置在冬季对低污染水的处理效果好且稳定性高。

(4)可以采用连续运行和间歇运行相结合的方式。连续运行能分别实现上、下行方式，能通过流量精确控制水利停留时间，处理后的出水优于地表Ⅴ类水标准。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在实施例1中对低污染水的处理效果；

图3为本发明在实施例2中对低污染水的处理效果；

图4为本发明在实施例3中对低污染水的处理效果；

图5为本发明在实施例4中对低污染水的处理效果；

图6为本发明在实施例5中对低污染水的处理效果；

图7为本发明在实施例6中对低污染水的处理效果；

其中：1挺水植物，2沉水植物，3溶解氧探针，4出水阀，5进水阀，6进水孔，7pH计探头，8氧化还原电位ORP电极,9温度控制系统，10化学需氧量COD测定仪，11溶氧仪，12恒流泵，13贮水器，14卤素灯光源，15光强传感器，16第一层填料，17第二层填料，18第三层填料，19第四层填料，20出水孔，21人工湿地装置。

具体实施方式

以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。

如图1至图7所示，本发明的一种低污染水脱氮的人工湿地装置21包括恒流泵12、进水区、主体反应区和出水区；

低污染水通过恒流泵12泵入进水区；所述进水区设置有进水孔6和进水阀5；所述出水区设置有出水孔20和出水阀4；所述主体反应区内设置有垂直向上层级的填料区；所述填料区分为四层，所述第一层填料16为鹅卵石，第一层填料16厚度h1的范围为5≤h1≤8cm；第二层填料17为沸石、钢渣或页岩陶粒，第二层填料17厚度h2的范围为25≤h2≤30cm；第三层填料18火山石、优级火山石、钢渣颗粒或沸石，第三层填料18厚度h3的范围为25≤h3≤30cm；第四层填料19为硝化污泥、细沸石、页岩陶粒或无烟煤颗粒，第四层填料19厚度h4的范围为15≤h4≤20cm；

所述填料区的上方种植有四季常绿水生植物；所述主体反应区内设置有脱氮微生物菌液和营养液；

所述低污染水脱氮的人工湿地装置21还包括总控制器、液晶显示屏、温度控制系统9、光强传感器15、pH计探头7、氧化还原电位ORP电极8和化学需氧量COD测定仪10；所述液晶显示屏、用于调节进水温度的温度控制系统9、光强传感器15、用于监测pH的pH计探头7、用于检测氧化还原能力的氧化还原电位ORP电极8、化学需氧量COD测定仪10分别与总控制器相连接；实时检测所述低污染水中的TN、NH4+、NO3-、NO2-、化学需氧量COD的浓度值。所述液晶显示屏上设置有按钮，可以方便的查看到人工湿地装置中的各种参数的值。

装置中的溶解氧控制分为水中和填料中两方面，水中溶解氧利用溶氧仪11可方便测得，可适时监测装置内水体不同高度的溶解氧浓度；填料层中溶解氧的监控通过将填料的溶解氧探针3预埋在装置填料层中，再以溶解氧三维测试系统可准确获得填料底层的溶解氧浓度值，以达到实时监测装置填料中厌氧环境的目的。

所述低污染水的温度为5-30℃，所述温度控制系统9包括可加热的贮水器13、外部温度控制器和内置温度传感器；

所述光强传感器15的灯光照强度控制范围为0～10000Lux，所述光照选自自然光照或人工光照；所述人工光照采用卤素灯光源14调节光照强度；所述自然光照强度通过自动气象站监测获得实验时的光强数据；所述低污染水的停留时间为7d。

所述鹅卵石的粒径为1-2cm，所述沸石的粒径为5-8mm，所述钢渣颗粒的粒径为5-8mm，所述页岩陶粒的粒径5-8mm，所述火山石的粒径为5mm，所述优级火山石的粒径为5mm；

所述进水区中的低污染水的氨氮浓度为2.0～20mg/L、总氮浓度为2.0～25mg/L、化学需氧量COD为40～100mg/L。

所述低污染水脱氮的人工湿地装置21的形状为透明的长方体，所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；将所述培养液3-7d的为一周期进行更换。

所述水生植物为四季常绿的挺水植物1和沉水植物2；所述沉水植物2种植在挺水植物1之间。

所述挺水植物1为西伯利亚鸢尾Iris sibirica、石菖蒲Acorustatarinowii或小香蒲Typha minima；沉水植物2为伊乐藻Elodea nuttallii、黑藻Hydrillaverticilla或金鱼藻CeratophyllumdemersumL；所述挺水植物1的种植密度为20-25株/m2；所述低污染水的温度范围为5-30℃，光照强度范围为0～10000Lux，低污染水的停留时间为7d。

本发明的一种低污染水脱氮的人工湿地装置21的处理方法，包括如下步骤：

(1)预处理人工湿地填料，对将填充的填料用超纯水进行反复冲洗；配置填料区；将水生植物均匀移植在填料区内；再种植水生植物的上面铺设3cm左右的细填料层；将从人工湿地中加入用以提高人工湿地中脱氮微生物的数量和活性的脱氮微生物菌液；再将配置好的已灭菌的培养液注入到人工湿地装置中运行；

(2)将低污染水经灭菌后存于贮水箱13，所述低污染水经由恒流泵泵入进水区，低污染水经由进水区进入填料区，填料区的填料层对低污染水中氮素的进行去除；

(3)在人工湿地形成的好氧-缺氧的微环境，所述脱氮微生物对氮素的进行转化分解；

(4)水生植物对水中氮素的吸收进行同化作用；

(5)上述步骤(2)至(4)中，总控制器与人工湿地装置21内的温度控制系统、光强传感器、pH计探头、ORP电极和COD测定仪相连接，通过总控制器对人工湿地装置21内的温度、光强度、pH值、ORP、COD进行控制，低污染水在人工湿地中的停留时间为7天，每间隔24h进行取样，测定低污染水中的TN、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、化学需氧量COD的浓度值。

在步骤(1)中，所述水生植物为沉水植物2和挺水植物1，所述沉水植物2为高度为8-10cm；

在步骤(3)中，营养液通过进水区的进水孔6进入人工湿地装置21。

本发明所述的人工湿地在厌氧氨氧化生物脱氮处理中的应用。

所述低污染水为实验室模拟废水、污水处理厂达标尾水、规模养殖处理排放水、农村生活污水处理后出水、村镇初期雨水或农业径流；在图2至图7中，…■…代表COD的浓度(mg/L)，—●—代表总氮的浓度(mg/L)，—▲—代表氨氮的浓度(mg/L)，—▼—代表硝氮的浓度(mg/L)。

实施例1

所述挺水植物1选自四季常绿的西伯利亚鸢尾，沉水植物2选自冬季生长良好的伊乐藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，高度为5-8cm；往上是人工湿地专用沸石，所述沸石的粒径5-8mm左右，铺设高度约25-30cm；接着填充优级火山石，所述优级火山石的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；再加入高活性的硝化污泥，该层高度控制在10-15cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：光照强度4000Lux，由光强传感器15控制，温度20±1℃，由可加热贮水器13和温度传感器实现，pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在250.9±53.7mv。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.2mg/L以下，形成厌氧环境。以实验室配置模拟低污染废水进行小试，进水化学需氧量COD/N＝5左右，采用“进水—处理—排水—闲置”的间歇运行方式，控制水停留时间为7d。试验在12月进行，实际水温为6±1℃，每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：85.3％、94.7％、86.90％和84.90％。在表1中列出了测试结果。

实施例2

所述挺水植物1选自常绿的西伯利亚鸢尾，沉水植物2选自冬季生长良好的黑藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，高度约5-8cm；往上是优选的钢渣，所述钢渣的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充优级火山石的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；再加入均匀的细沸石的粒径为3-5mm，该层高度控制在10-15cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：光照强度4000Lux，由光强传感器15控制，温度为20±1℃，由可加热贮水器13和温度传感器实现，pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在210.3±25.5mv。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.2mg/L以下，形成厌氧环境。本小试采用原位采集的常州武进某低污染处理尾水进行，进水化学需氧量COD/N＝2左右，采用“进水—处理—排水—闲置”的间歇运行方式，控制水停留时间为7d，试验在12月进行，实际水温6±1℃，考察本人工湿地装置在冬季对实验室配置模拟低污染废水的处理效果和稳定性。每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果分析，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别为：89.9％、81％、80％、81.3％。在表1中列出了测试结果。

实施例3

所述挺水植物1选自四季常绿的小香蒲，沉水植物2选自冬季生长良好的伊乐藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，高度约5-8cm；往上是优选的人工湿地专用沸，沸石的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充钢渣颗粒，钢渣颗粒的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；接着填充页岩陶粒，页岩陶粒的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：光照强度4000Lux，由光强传感器15控制，温度为20±1℃，由可加热贮水器13和温度传感器实现，pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在225.1±19.7mv。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.2mg/L以下，形成厌氧环境。以实验室配置模拟低污染废水进行小试，进水化学需氧量COD/N＝5左右，采用连续运行方式，用恒流泵精确控制进水流量，使水力停留时间为7d，从装置进水阀5进水，装置出水阀4出水。试验在12月进行，实际水温为5±1℃，考察本人工湿地装置在冬季对低污染水的处理效果和稳定性。每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果分析，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：91％、89.1％、84.7％和89％。在表1中列出了测试结果。

实施例4

所述挺水植物1选自常绿的菖蒲，沉水植物2选自冬季生长良好的金鱼藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石粒径为1-2cm，高度为5-8cm；接着填充钢渣颗粒，所述钢渣颗粒的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；往上是优选的人工湿地专用沸石，所述沸石的粒径为5mm，铺设高度约25-30cm；再加入均匀的无烟煤颗粒，该层高度控制在10-15cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：采用自然光照，水温为自然条件下温度，为20±2℃；pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在247.9±43.8mV。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.3mg/L以下，形成厌氧环境。以实验室配置模拟低污染废水进行小试，进水化学需氧量COD/N＝5左右，采用“进水—处理—排水—闲置”的间歇运行方式，控制水停留时间为7d。试验在温度较高的8月进行，实际水温30度。每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：89％、97％、91％和83％。在表1中列出了测试结果。

实施例5

所述挺水植物1选自常绿的小香蒲，沉水植物2选自冬季生长良好的伊乐藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，高度为5-8cm；往上是优选的页岩陶粒，所述页岩陶粒的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充钢渣颗粒，钢渣颗粒的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；接着填充优级火山石，所述优级火山石的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：采用自然光照，水温为自然条件下温度，为20±2℃；pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在231.7±35.6。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.3mg/L以下，形成厌氧环境。本小试采用实验室配置模拟低污染废水进行，采用“进水—处理—排水—闲置”的间歇运行方式，控制水停留时间为7d，试验在6月进行。每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果分析，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别为：91.9％、85.3％、82％、84％。在表1中列出了测试结果。

实施例6

所述挺水植物1选自常绿的菖蒲，沉水植物2选自冬季生长良好的伊乐藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，鹅卵石的粒径为1-2cm，高度约5-8cm；往上是优选的页岩陶粒，页岩陶粒的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充优级火山石，优级火山石的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；再加入高活性的硝化污泥，该层高度控制在10-15cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：采用自然光照；水温为自然条件下温度，为20±2℃；pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在251.2±39.7。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.3mg/L以下，形成厌氧环境。以实验室配置模拟低污染废水进行小试，进水化学需氧量COD/N＝5左右，采用连续运行方式，用恒流泵精确控制进水流量，使水力停留时间为7d，从装置进水阀5进水，装置出水阀4出水，试验在6月进行。每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果分析，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：93％、92.5％、88.7％和94.8％。在表1中列出了测试结果。

实施例7

所述挺水植物1选自四季常绿的西伯利亚鸢尾，沉水植物2选自冬季生长良好的伊乐藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，高度约5-8cm；往上是优选的人工湿地专用沸石，沸石的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充优级火山石，所述优级火山石的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；再加入高活性的硝化污泥，该层高度控制在10-15cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：光照强度4000Lux，由光强传感器15控制，温度20±1℃，由可加热贮水器13和温度传感器实现，pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在260.9±43.7mv。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.2mg/L以下，形成厌氧环境。以原位采集的某水产养殖场排水进行小试，采用“进水—处理—排水—闲置”的间歇运行方式，控制水停留时间为7d。试验在12月进行，每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：85.3％、84.7％、79.90％和81.90％。在表1中列出了测试结果。

实施例8

所述挺水植物1选自常绿的菖蒲，沉水植物2选自冬季生长良好的黑藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，所述鹅卵石的粒径为1-2cm，高度为5-8cm；往上是优选的人工湿地专用沸石，沸石的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充优级页岩陶粒，页岩陶粒的粒径为5mm，填充高度为15-20cm；再填充优级火山石，优级火山石为粒径5mm，该层高度控制在10-15cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：光照强度4000Lux，由光强传感器15控制，温度20±1℃，由可加热贮水器13和温度传感器实现，pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在219.9±44.7mv。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.2mg/L以下，形成厌氧环境。以原位采集的太湖入湖河道水进行小试，采用“进水—处理—排水—闲置”的间歇运行方式，控制水停留时间为7d。试验在12月进行，每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：87.3％、79.7％、82.90％和84.90％。在表1中列出了测试结果。

实施例9

所述挺水植物1选自常绿的小香蒲，沉水植物2选自冬季生长良好的伊乐藻；所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；填料区的优选和铺设如下：最底层铺垫鹅卵石，鹅卵石的粒径为1-2cm，高度约5-8cm；然后填充均匀的钢炭颗粒，钢炭颗粒的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；往上是优选的人工湿地专用沸石，沸石的粒径为5-8mm，铺设高度约25-30cm；接着填充优级页岩陶粒，页岩陶粒的粒径5mm，填充高度为15-20cm；人工湿地装置21运行的环境参数以及装置内理化参数如下：光照强度4000Lux，由光强传感器15控制，温度20±1℃，由可加热贮水器13和温度传感器实现，pH稳定在6.5-7.7之间，氧化还原电位ORP的范围稳定在220.9±33.7mv。溶解氧由上层水体中的10mg/L以上的好氧环境向下逐渐降低，填料底层DO低至0.2mg/L以下，形成厌氧环境。以原位采集的常州某生活污水处理厂达标尾水进行小试，采用进水—处理—排水—闲置的间歇运行方式，控制水停留时间为7d。试验在12月进行，实际水温5±1℃。每天在出水孔20取水，按标准方法测定氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的浓度值。根据测定结果，水质基本达到地表水Ⅴ类水标准，其中氨氮、硝氮、总氮和化学需氧量COD的去除率分别达到：80.3％、76.7％、79.90％和82.10％。在表1中列出了测试结果。

表1

本发明充分强化人工湿地在脱氮处理方面，植物、基质和微生物三方面的作用，通过筛选稳定湿地中脱氮优势菌种制得脱氮微生物菌液，再将其用于人工湿地装置21中，与优选的冬季常绿的水生植物配合，形成“挺水植物1—沉水植物2--高效脱氮微生物”共生体系，再结合填料的优选、级配，同时结合各环境参数的实时监控、优化系统，达到强化人工湿地处理低污染水脱氮效率以及保持其在秋冬季节稳定性的目的。

本发明具有如下优点：

(1)植物选自挺水植物1加沉水植物2的组合，增加植物多样性和层次性，挑选冬季常绿、脱氮效果稳定的种类，避免秋冬季节植物衰亡，以加强寒冷季节脱氮效果。

(2)能适时监控人工湿地运行的各种物理化学和生物因素，包括温度、光照、pH和氧化还原电位ORP、水体和填料中溶解氧、氮磷浓度、微生物量等，可对人工湿地装置21内的各种环境因素进行实时监测和控制，可优化各控制因素保证高效运行。在脱氮微生物方面，筛选、驯化天然稳定人工湿地中参与氮循环的微生物，再将获得的高效脱氮微生物菌液添加到本人工湿地装置内，以配置的专用营养液培养，这样提高了装置内脱氮微生物的数量和活性。

(3)本发明采用了挺水植物1-沉水植物2-高效脱氮微生物的共生体系，再辅以填料区的优选，采用脱氮效果好的湿地填料进行层级配置，强化基质在脱氮方面的重要性。可充分发挥植物、填料和微生物在人工湿地脱氮方面的作用，同时能保证低温时节人工湿地装置21较高的脱氮效率；人工湿地装置21在冬季对低污染水的处理效果好且稳定性高。

(4)可以采用连续运行和间歇运行相结合的方式。连续运行能分别实现上、下行方式，能通过流量精确控制水利停留时间，处理后的出水优于地表Ⅴ类水标准。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方法进行适当的变更和修改。因此本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书使用了一些特定的术语，但是这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种低污染水脱氮的人工湿地装置，其特征在于：低污染水脱氮的人工湿地装置包括恒流泵、进水区、主体反应区和出水区； 

低污染水通过恒流泵泵入进水区；所述进水区设置有进水孔和进水阀；所述出水区设置有出水孔和出水阀；所述主体反应区内设置有垂直向上层级的填料区；所述填料区的上方种植有四季常绿水生植物；所述主体反应区内设置有脱氮微生物菌液和营养液； 

所述低污染水脱氮的人工湿地装置还包括总控制器、液晶显示屏、温度控制系统、光强传感器、pH计探头、ORP电极和COD测定仪；所述液晶显示屏、用于调节进水温度的温度控制系统、光强传感器、用于监测pH的pH计探头、用于检测氧化还原能力的ORP电极、COD测定仪分别与总控制器相连接；实时检测所述低污染水中的TN、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、COD的浓度值。 

2.根据权利要求1所述低污染水脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述填料区分为四层，所述第一层填料为鹅卵石，第一层填料厚度h1的范围为5≤h1≤8cm；第二层填料为沸石、钢渣或页岩陶粒，第二层填料厚度h2的范围为25≤h2≤30cm；第三层填料火山石、优级火山石、钢渣颗粒或沸石，第三层填料厚度h3的范围为25≤h3≤30cm；第四层填料为硝化污泥、细沸石、页岩陶粒或无烟煤颗粒，第四层填料厚度h4的范围为15≤h4≤20cm；所述低污染水的温度为5-30℃，所述温度控制系统包括可加热的贮水器、外部温度控制器和内置温度传感器； 

所述光强传感器的灯光照强度控制范围为0～10000Lux，所述光照选自自然光照或人工光照；所述人工光照采用卤素灯光源调节光照强度；所述自然光照强度通过自动气象站监测获得实验时的光强数据； 

所述低污染水的停留时间为7d。 

3.根据权利要求1所述低污染水脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述鹅卵石的粒径为1-2cm，所述沸石的粒径为5-8mm，所述钢渣颗粒的粒径为5-8mm，所述页岩陶粒的粒径5-8mm，所述火山石的粒径为5mm，所述优级火山石的粒径为5mm； 

所述进水区中的低污染水的氨氮浓度为2.0～20mg/L、总氮浓度为2.0～25mg/L、化学需氧量COD为40～100mg/L。 

4.根据权利要求1所述低污染水脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述低污染水脱氮的人工湿地装置的形状为透明的长方体，所述脱氮微生物菌液由氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌组成；将所述培养液3-7d的为一周期进行更换。 

5.根据权利要求1所述低污染水脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述水生植物为四 季常绿的挺水植物和沉水植物；所述沉水植物种植在挺水植物之间。 

6.根据权利要求5所述低污染水脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述挺水植物为西伯利亚鸢尾、石菖蒲或小香蒲；沉水植物为伊乐藻、黑藻或金鱼藻；所述挺水植物的种植密度为20-25株/m²；所述低污染水的温度范围为5-30℃，光照强度范围为0～10000Lux，低污染水的停留时间为7d。 

7.一种低污染水脱氮的人工湿地装置的处理方法，其特征在于包括如下步骤： 

(1)预处理人工湿地填料，对将填充的填料用超纯水进行反复冲洗；配置填料区；将水生植物均匀移植在填料区内；再种植水生植物的上面铺设3cm左右的细填料层；将从人工湿地中加入用以提高人工湿地中脱氮微生物的数量和活性的脱氮微生物菌液；再将配置好的已灭菌的培养液注入到人工湿地装置中运行； 

(2)将低污染水经灭菌后存于贮水箱，所述低污染水经由恒流泵泵入进水区，低污染水经由进水区进入填料区，填料区的填料层对低污染水中氮素的进行去除； 

(3)在人工湿地形成的好氧-缺氧的微环境，所述脱氮微生物对氮素的进行转化分解； 

(4)水生植物对水中氮素的吸收进行同化作用； 

(5)上述步骤(2)至(4)中，总控制器与人工湿地装置内的温度控制系统、光强传感器、pH计探头、ORP电极和COD测定仪相连接，通过总控制器对人工湿地装置内的温度、光强度、pH值、ORP、COD进行控制，低污染水在人工湿地中的停留时间为7天，每间隔24h进行取样，测定低污染水中的TN、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、化学需氧量COD的浓度值。 

8.根据权利要求7所述低污染水脱氮的人工湿地装置的处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述水生植物为沉水植物和挺水植物，所述沉水植物为高度为8-10cm； 

在步骤(3)中，营养液通过进水区的进水孔进入人工湿地装置。 

9.权利要求1-8中任一项所述的人工湿地在厌氧氨氧化生物脱氮处理中的应用。